CO2热泵热水器多毛细管组合节流特性的研究

崔海亭,刘东岳,赵华丽,张振国

(1.河北科技大学， 河北石家庄 050018；2.河北石家庄圣艾蒙环保科技有限公司，河北石家庄 050227)

CO2热泵热水器多毛细管组合节流特性的研究

崔海亭1,刘东岳1,赵华丽1,张振国2

(1.河北科技大学， 河北石家庄 050018；2.河北石家庄圣艾蒙环保科技有限公司，河北石家庄 050227)

基于CO2作制冷剂应用于热泵系统的优良特性 ,搭建空气源热泵热水系统试验台，进行了单根毛细管、双毛细管、3根毛细管并联组合分别作为节流元件的对比试验，结果表明采用3根毛细管并联组合节流时具有全天候平均COP最高，并得出各温度阶段适用毛细管组合规律，为提高CO2热泵热水器制热能效提出理论依据。

CO2；热泵热水器；组合毛细管；COP

符号

m——质量流量，kg/sD——管径，mf——摩擦阻力系数G——质量流速，kg/(m2·s)h——比焓，kJ/kgL——管长，mp——压力，Pax——干度ρ——密度，kg/mν——比容，m3/kgRe——雷诺数

下标

m——平均sc——过冷

1 前言

采用CO2工质作为制冷剂的跨临界热泵机组因其制取热水温度范围大；对臭氧层无破坏、温室效应潜能极小；系统稳定性高、安全性好；结构紧凑、占用空间小；并且具有较高的制热能效比而引起广泛的关注与研究[1～3]。

采用CO2作为制冷剂的热泵系统与传统制冷剂相比具有明显的优势：(1)CO2临界温度较低，因而制冷剂在气冷器中并不发生冷凝，只有接近或超过临界点的单相放热，使系统循环有别于常见的亚临界循环，是跨临界循环，变温曲线与水更为匹配。(2)CO2与氟类制冷剂在过热区的定压比热不同，过热情况下CO2定压比热约是氟制冷剂的2.5倍，储热性能更加优良。因此，CO2热泵热水系统具有更高的出水温度与制热能效比[4～7]。

毛细管是制冷装置中常见的节流元件，其基本工作原理是使高压制冷剂受迫流过较小的过流断面，产生局部阻力损失从而使制冷剂压力骤降，同时部分制冷剂闪发汽化，吸收潜热，经过一个不可逆等焓过程使制冷剂变为低温低压工质，供给蒸发器[8]。

由于热泵在不同工况下对制冷剂流量要求不同，针对单根毛细管在系统循环负荷变化时不能及时地进行匹配的实际情况，本文提出采用三根不同内径、不同长度毛细管并联组合使用的设想，通过理论计算与试验研究得出适应全年各阶段不同工况的毛细管尺寸组合。

2 毛细管数学模型的建立

根据毛细管内制冷剂CO2的流动状态与规律，列出流动所遵循的方程组[2]。

连续性方程:

(1)

能量方程:

(2)

动量方程:

(3)

在计算毛细管长度时，将毛细管中的流动过程分为过冷区和两相区2个阶段[2]，其中过冷区长度：

(4)

两相区长度：可取沿毛细管长度方向的某一控制容积,对动量方程式作积分[4，5,9],得：

(5)

整理可得两相区长度：

(6)

其中，f沿管程的变化很小,可按区域简化为常数,对不同的流动区域均可取该流动区域的进出口f的算术平均值[10],即f=(f1+f2)/2。

对于两相流动区域的平均比容[4，5],提出以下估计式:

(7)

式中，权系数T仅与两相区进口干度x1有关[11],可按下式计算:

对于毛细管中制冷剂流动的摩擦阻力f,文献推荐较多的是Filonenko关联式和churchill关联式，本文选用churchill关联式进行计算[12～15]：

(8)

B=(37530/Re)16

3 试验装置和试验方案

跨临界CO2热泵热水系统试验台分为数字采集控制系统与热力循环系统两大部分，热力循环系统及制冷剂系统主要由压缩机、蒸发器、气体冷却器、回热器、气液分离器、毛细管及电磁阀构成循环回路。低温、低压CO2气体在压缩机中压缩至超临界，之后进入气体冷却器中，被低温冷水冷却，离开气冷器后进入回热器中进一步被冷却。然后CO2气体通过毛细管降压节流，使气体温度下降并部分液化，湿蒸汽进入蒸发器中汽化，蒸发器出口配备有气液分离器，便于压缩机回油及防止压缩机液击；同时增加系统容积，稳定系统内压力。气液分离器排出低压气体进入回热器低压侧通道吸收高压侧超临界流体热量，成为过热气体进入压缩机再次完成循环。数字采集控制系统采用数据采集仪，采集温度和压力参数，监测试验中各个有效部件的实时运行状态，试验台分别设置了9个温度测量点、8个压力测量点，分别连接到数据采集仪及计算机，对气冷器进出口、蒸发器进出口、压缩机进口等处的CO2气体参数进行测量，以便调控试验机组工作状态以及进行量化对比计算。

试验台整体以成型热泵系统为基础，上层放置蒸发器与气冷器，回热器、压缩机、节流原件为下层，储液罐(立式)设置在机箱一侧，另一侧为电子数控系统柜及触摸面板。本试验压缩机采用某公司生产的半封闭式CO2压缩机，最高排气压力14MPa,额定制冷量88070W，输入功率33.04kW；蒸发器为空气源翅片管式换热器，选用半硬T2紫铜管，翅片选用扁平铝套片，铜管正三角形排列以加强介质与空气源之间的热交换；气冷器与回热器均采用CO2专用套管式换热器，冷却水走内侧，制冷剂走外侧，此类型换热器结构简单、工作范围大、换热效果良好，试验设定冷却水进口温度15℃，出口温度60℃；储液罐最大承压15MPa，采用立式结构，下部加装回油泵，回油至压缩机；节流结构为三根不同长度毛细管并联组成，通过常开式电磁阀对毛细管开度进行控制。

图1 跨临界CO2热泵热水系统原理示意

此试验方案具有以下特点：跨临界CO2热泵系统制热能效比受冷源温度影响较大，试验台采用3根不同长度毛细管并联组合，通过控制环境温度在-15～30℃范围内变化，对应改变毛细管开闭以找到各温度段最佳的匹配长度，从而优化循环，保持最优COP，并根据试验结果，对试验数据进行分析，为不同冷源温度下并联毛细管的开闭分布进行优化与最优组合试验探究。

4 试验结果分析

毛细管作为节流元件与热泵循环系统中的蒸发器、冷凝器、压缩机相比，尺寸虽小，但对热泵机组循环运行特性起重要作用。它对蒸发器与冷凝器之间的制冷剂流动起到遏制作用，在降低高压液态制冷剂压力的同时，控制进入蒸发器的制冷剂流率。因此毛细管必须与热泵机组的运行工况与容量相匹配。

图2为3条不同长度以及其不同组合的毛细管分别应用于测试机组所得实时COP曲线。

图2 不同毛细管组合的COP随环境温度的变化

由图中可看出，在7℃以下低温环境段单独使用长毛细管机组制热效率明显优于短毛细管及中等长度毛细管；7～18℃常温环境下中等长度毛细管COP显著提高并超过其余两组试验长度；18～30℃高温环境下短毛细管制热效率达到最高且趋于平稳，而其他两组都有明显下降。究其原因是因为环境温度低时，较长的毛细管可以保证气冷器与蒸发器之间保持一定的压差，在毛细管进口处形成液封使制冷剂变化到临界点以下[16]；环境温度高时，短毛细管可以增加制冷剂流量，控制蒸发器液位，充分利用蒸发器，防止压缩机吸气温度过高，产生有害过热[17～20]，影响系统制热功效。

从图2中中等长度毛细管分别与短毛细管并联、长毛细管并联应用于热泵机组所得COP曲线可知，较之采用单一毛细管作为节流元件，双毛细管两两并联作用时系统制热效率更为稳定并且具有小幅提高。但是，两种并联情况任取其一并不能独立保证测试温度段内热泵热水器COP总取得最优值。为此，提出采用3根毛细管并联组合作用的方式，经试验得到3根不同长度毛细管并联使用时系统COP值。通过多组试验对比，得到3根不同长度毛细管并联组合作用时，通过数字系统控制热泵3根毛细管随环境温度不断开闭变化，使热水系统所配用的毛细管长度总是与环境温度相适应，在环境温度为-10～30 ℃区间内，采用3根毛细管并联组合节流时具有全天候平均最高COP以达到热泵热水器的最优工作状态。

5 结论

(1)采用3根毛细管并联使用作为节流元件时，较之使用单根毛细管及双毛细管并联可更灵敏地适应环境温度变化，机组适用工况范围更加广泛，通过计算可得：单根毛细管全年平均制热能效比为3.61，双毛细管为3.82，而采用3根毛细管的热泵机组全年平均制热能效比提高为3.97，明显优于前两种，且试验数据标准差较小，即全年不同环境下制热能效波动减小，可保持较高制热效率。

(2)本试验模拟全年气候工况下机组工作情况，采用三毛细管并联作用，可保证系统换热器内压差平稳，在合适毛细管开口处形成液封，保证制冷剂降压至临界点以下；并且实时调整系统内制冷剂质流量，保证了蒸发器工作效率。

(3)经过多组试验得到各温度段匹配的最优毛细管组合开闭规律如下：-10～2 ℃只开启单根长毛细管，其余两条闭合；2～6 ℃中、长毛细管并联开启使用，短毛细管闭合；6～17 ℃中等长度毛细管开启，短毛细管及长毛细管闭合；17～29 ℃中、短毛细管并联组合开启，长毛细管闭合；气温大于29 ℃时，开启短毛细管，中、长毛细管闭合。此次试验工况范围较广，可为以后CO2热泵性能研究提供理论支持与依据。

[1] 杨礼桢,岑敏婷,王劲柏.热泵热水器变工况下毛细管节流特性探讨[J].流体机械，2011,39(6)：74-79.

[2] 王栋,李蒙,戚利利,等.二氧化碳制冷系统毛细管的设计及实验研究[J].化工学报，2011(10)：2753-2758.

[3] 熊涛.二氧化碳热泵双毛细管组合节流特性及系统热力性能研究[D].昆明：昆明理工大学,2014.

[4] 张春路,丁国良.毛细管两级串联节流特性[J].上海交通大学学报,2001(8):1178-1181.

[5] 张春路,丁国良,李灏.绝热毛细管性能模拟的平均参数模型[J].上海交通大学学报，1999(8):20-24.

[6] 马娟丽,刘昌海,周骞.膨胀阀开度对跨临界CO2制冷系统损失影响的实验研究[J].西安交通大学学报,2014,48(3):12-16.

[7] 龚毅,梁志礼,侯峰，等.CO2跨临界循环水源热泵系统的试验研究[J].郑州轻工业学院学报(自然科学版),2011,26(4):41-44.

[8] 王晶,赵远扬,李连生.跨临界CO2制冷系统中绝热毛细管性能模拟研究[J].西安交通大学报，2011,45(11):16-21.

[9] 梁志礼,龚毅,任延武,等.跨临界CO2制冷系统性能的实验研究[J].建筑科学,2010,26(10):202-204.

[10] 陈江平,刘军朴,金纪峰.跨临界CO2节流短管流量特性实验研究[J].上海交通大学学报,2005(8):1214-1217.

[11] 王哲,龚毅,吴学红,等.跨临界CO2双节流阀热泵系统的实验研究[J].制冷学报,2012,33(6):57-62.

[12] Bin Hu,Yaoyu Li,Feng Cao.Extremum seeking control of COP optimization for air-source transcritical CO2heat pump water heater system[J].Applied Energy,2015,147:361-37.

[13] Neeraj Agrawal,Souvik Bhattacharyya.Parametric study of a capillary tube-suction line heat exchanger in a transcritical CO2heat pump cycle[J].Energy Conversion and Management,2008,48:2979-2985

[14] 孙涛,郭宪民,杨明.毛细管长度对热泵热水器系统动态性能的影响[J].流体机械,2009,37(8):58-62.

[15] 邵双全,石文星,李先庭.空调系统制冷剂充灌量与毛细管长度的优化匹配研究[J].流体机械,2002,30(2):45-48.

[16] 朱兴旺,时阳.毛细管长度对制冷系统性能影响的探讨[J].轻工机械,2002(3):61-63.

[17] 赵宗彬，朱斌祥，李金荣，等.空气源热泵干燥技术的研究现状与发展展望[J].流体机械，2015，43(6):76-81.

[18] 金光，王正文，吴晅，等.混合式土壤源热泵系统的研究现状及展望[J].流体机械，2016,44(2):82-88.

[19] 杨敏官，绍腾，高波，等.熔盐泵分流式空间导叶内部流动及其非定常特性[J].排灌机械工程学报，2015，33(4):306-310.

[20] Jing Wang,Feng Cao,Zhizhong Wang.Numerical simulation of coiled adiabatic capillary tubes in CO2transcritical systems with separated flow model including metastable flow[J].International Journal of Refrigeration,2012，35:2188-2198.

Study on Throttling Characteristic of Multiple Capillary Combination Used in CO2Heat Pump Water Heater

CUI Hai-ting1，LIU Dong-yue1，ZHAO Hua-li1, ZHANG Zhen-guo2

(1.Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang 050018，China;2.Hebei Shijiazhuang St.Edmund Environmental Technology Co.,Ltd.,Shijiazhuang 050227，China)

Based on the excellent properties of carbon dioxide as refrigerant,experimental setup of air-source heat pump hot water system is designed.Experiments are conducted to compare the efficiency of the single,double and three capillary parallel combination respectively.The results show that the three-parallel one has the highest averageCOPvalue at the whole day.At the same time,the law of capillary opening and closing at different range of temperature was put forward.This paper lays a theoretical foundation for improving the heat efficiency of heat pump water heaters based on carbon dioxide.

carbon dioxide;heat pump water heater;combined capillary tube;COP

1005-0329(2017)03-0065-04

2016-07-12

2016-09-01

河北省石家庄市科学技术研究与发展计划项目(161080101A)

TH12;TB65

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.03.014

崔海亭(1964-)，男，教授，博士，主要从事蓄热、热泵与强化传热技术方面的研究，通讯地址：河北石家庄市裕翔街26号河北科技大学机械学院，E-mail:cuiht@126.com。